化學實驗室冷凝水循環裝置的設計與開發

王輝　戴超　張曉慧　劉傳發

【摘 要】針對實驗室冷凝水浪費嚴重的情況，設計了一款小型回路循環冷凝水系統，研究證明，該系統安裝簡單，省水省電，相同時間內，在保證冷卻效果的前提下能節約用水90 %以上， 具有極大的推廣價值。

【關鍵詞】實驗室；冷凝水；裝置；設計

中圖分類號： TQ016.8 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）02-0217-002

【Abstract】for laboratory condensate waste serious condition，designed a small loop circulation condensate system，the research proves that the system is easy to install，save water electricity savings，the same time，on the premise of guarantee the cooling effect can save water by more than 90%，has a great promotion value.

【Key words】Laboratory；The condensed water；Device；Design

化學實驗室中蒸餾、分餾、回流、水蒸氣蒸餾、減壓蒸餾等有機化學基本操作都需要用到冷凝水，常規實驗操作中冷凝水都是直接接自來水龍頭，大量水資源白白流入下水道，水資源浪費嚴重，尤其對于青島這個嚴重缺水的城市，此舉不僅不利于學生勤儉節約習慣的培養，更與國家提倡的創建節約型社會的大趨勢不符。另外，在科研實驗室中，有些有機反應需要長時間回流，中途不能停歇，在無人看守情況下，如遇停水，膠管破裂，可能會導致水漫金山或電器短路引起火災，有巨大的安全隱患。目前，市面上已經有商品化的低溫循環冷凝設備，但動輒幾千上萬元一臺的價格，對基礎實驗室和科研經費相對短缺的科研人員來講，有點遠水解不了近渴。現有文獻對實驗室冷凝水循環利用有些相關報道[1-3]，但制作過程復雜，操作繁瑣，如何利用現有的實驗條件，稍作改變，從而達到節水和安全用水的目的，是我們一直在嘗試的工作。

1 儀器與藥品

儀器：潛水泵（5W）、水槽、三口瓶、直型冷凝管、球型冷凝管、溫度計、圓底燒瓶

藥品：乙醚（bp 34.6℃）、乙醇（bp78.3℃）、甲苯（bp 110.6℃）、二甲苯（bp 144.4℃）

2 實驗

2.1 常規蒸餾用水量及冷凝效果考察

搭建蒸餾裝置，分別加入15mL乙醚+15mL蒸餾水、15mL乙醇+15mL蒸餾水、15mL甲苯+15mL二甲苯三種有機混合試劑，并向蒸餾瓶中加入幾粒沸石，開冷凝水，分別控制電熱套電壓在50V、75V和100V進行蒸餾實驗[4]。

2.2 串聯蒸餾裝置用水量及冷凝效果考察

按圖1所示，搭建串聯蒸餾裝置，加入15mL乙醇+15mL蒸餾水，并向蒸餾瓶中加入幾粒沸石，開冷凝水，控制電熱套電壓在75V進行蒸餾實驗，考察2組、3組、4組進行串聯后的實驗效果。

圖1 串聯型蒸餾及回流裝置圖

2.3 小型循環水冷凝裝置的設計

按圖2所示，安裝帶循環冷凝水裝置的蒸餾裝置，按2.1步驟重復實驗進行對照。

圖2 帶循環水冷凝裝置的蒸餾、回流裝置圖

3 結果與討論

3.1 常規蒸餾用水量及冷凝效果考察

在相同電壓條件下，考察了不同流量條件下對不同組分的蒸餾效果，結果見表1。

表1 常規蒸餾用水量及冷凝效果考察結果

從表1數據可以看出，不同組分在相同電壓，不同冷凝水流速條件下，所得產物的產率是不同的，冷凝水流速越大，冷凝效果越好，產率越高，想要達到較高的產率，需要更高的流速，這將增加自來水的浪費程度，以相對理想產率時的流速14.50/mL·S計算，10分鐘將有8700mL的自來水流入下水道，如果是每次有35組同時做，70個班級做同一個實驗呢？簡單做一下計算，就可以發現，其消耗量是驚人的，而這僅僅是理想狀態下的，實際過程中的消耗更大。以高沸點混合物甲苯+二甲苯為例，較低流速下，其進水口與出水口溫度已經達到4℃的差異，加熱過程中產生的熱量來不及散發，影響了蒸餾效果，產率較低。由此也可以看出，通過調節水龍頭開關，減低流速來實現節約用水的想法會影響冷凝效果，并不能從根本上實現節水的目的。

3.2 串聯蒸餾用水量及冷凝效果考察

基于上述考慮，我們嘗試將兩個或多個蒸餾裝置串聯，即上個裝置的出水口接下個裝置的入水口，以期實現節約用水的目的，實驗結果見表2。

表2 串聯蒸餾裝置的用水量及冷凝效果考察結果

串聯蒸餾裝置，理論上串聯個數越多，節約用水效果越明顯，但從表2 的數據可以看出，裝置串聯時，冷凝水循環速度下降，無法將熱量及時帶走，從而導致冷凝效果下降，除第一個裝置的產率幾乎不受影響外，后面裝置的產率會直線下降，當三套裝置串聯時，進水口與出水口溫度差異已經達到9℃，第三套裝置的產率下降嚴重，已經無法滿足冷凝的需要。為了保證實驗效果，需要加大流量來提升，反而增加了水資源的消耗，裝置連接越多，就越需要實驗的同步進行，實際操作過程中，存在諸多影響因素，節水效果并不理想。

3.3 小型循環水冷凝裝置的設計

為了達到節水的目的，實現水資源的循環利用，我們借助一個電動小型潛水泵來實現供水，經出水口，再流回到水槽中，如圖2所示，既達到了冷凝的效果，又實現了循環用水的目的，由于水在循環過程中不斷吸收熱量，我們考察了水槽加水量對實驗效果的影響，結果見表3。

表3 循環水裝置對蒸餾實驗效果的影響

如表3所示，增大水槽水量，蒸餾產率提升，說明水越多，越有利于熱量散發，冷凝效果越好。相對于高沸點化合物的蒸餾，低沸點化合物受水槽水量的影響更小，在進行高沸點物質蒸餾的時候，可考慮水槽內多加水或加冰，來加速熱量的散發。相對于常規自來水冷凝，循環冷凝的效果優于或接近，說明改進是合理可行的。由于水在一個回路中循環使用，其消耗量很小，可多次使用，真正實現了節水的目的。對于科研實驗中長時間的回流時間，此類冷凝裝置的使用，將會更加安全。

4 結論

通過上述實驗，可以得出以下結論：

（1）裝置冷凝效果與冷凝水流速有關，常規自來水冷凝通過調節自來水開關降低流量會影響冷凝效果，達不到節約用水的目的；

（2）串聯型裝置可在一定程度上節約用水，與串聯裝置個數有關，但串聯的結果是需要加大自來水流量增大壓力，加快熱量散發，串聯前端的冷凝效果不受影響，中后端的冷凝效果直線下降，且串聯型需要步調一致，很難把控。兩組串聯勉強可以接受；

（3）在保證外接水槽水量的前提下，循環水冷凝裝置能夠達到或超過常規冷凝方式的冷凝效果，能夠從根本上解決實驗室水資源浪費嚴重的現狀，而且更加安全。所需添置的僅是小水泵一臺，其功率很低，耗電幾乎可以忽略不計。

【參考文獻】

[1]徐昌學.新型實用的簡易式冷凝水循環器[J].教育與裝備研究，2009（10）：30-30.

[2]馬永明，孫洪英，孫娜.化工實驗室冷凝水循環裝置的設計[J].鹽業與化工，2012，41（8）：22-23.

[3]李眾.蒸餾、分餾實驗中冷凝水的循環利用[J].中學化學教學參考，2016（13）：58-58.

[4]李吉海.基礎化學實驗II-有機化學實驗[M].化學工業出版社，2016.